杭州湾北部海底天然气的浅地层剖面测量调查

王 远，王治华，刘 伍

（上海市地质调查研究院，上海 200072）

杭州湾北部位于上海金山区和洋山岛之间，随着东海大桥通行、洋山深水港投产以及上海金山港旅游航线的开通，区域经济日趋活跃[1]。

在长江口岸带及杭州湾海域，已开展过大量基础性地质调查，但尚未对杭州湾北部地区海底天然气进行全面深入的研究。本文利用地球物理探测中的浅地层剖面测量[2]，对该区域内的海底天然气进行了调查，并利用专业地震解释软件分析研究浅层气在地震剖面上的特征，并据此圈出浅层气的分布范围，为未来海洋工程建设和浅层气的资源开发与灾害防治提供依据。

1 浅层气的成因及储存运移特征

浅层气是指埋藏深度比较浅、储量比较小的各类天然气资源。主要包括生物气、油型气、煤层甲烷气、水溶气等。一般情况下，在沉积作用强烈的地区，由于地层沉积速度快，地层压力来不及释放，使地层内的气体聚集而形成[3]。根据生、储地层的不同一般分为两类：第一类存在于含泥炭夹层且富含有机质的地层，多属于古三角洲和河流相地层，在生、储模式上属于自生自储或局部运移；第二类来源于地层深部，多为石油天然气沿断裂等裂隙上升形成，又称为高压浅层气。两类气体通常均以层间气和沉积物中气的形式存在[4]。沉积物中的气体改变了沉积地层的力学性质，使其结构变松，强度降低。在外荷载作用下，含气沉积物会发生蠕变，导致下陷或滑动。层状储集的浅层气层，其含气量大，有一定压力，如果海洋平台等工程的桩基础坐落其上，气体释放易造成设备受损或“井喷”等事故，因此其也是海洋地质灾害的一个因素[5,6]。

2 调查区地质背景

本文的调查研究区域为杭州湾北部（图1）。

图1 调查研究区位置示意Fig.1 The location of investigation area

该区域位于东亚大陆构造域的江山—绍兴—韩国光州深断裂北侧附近，这一断裂在新构造期为一向北西陡倾、略呈左行滑移的正断层。该断裂在中更新世以后活动性变弱及至停止[7]。故浅部极少形成断裂，缺少属于第二类浅层气的运移通道。本区属长江、钱塘江沉积范围，现代沉积作用强烈[8]，河流所携沉积物中有机质丰富，易于生成生物浅层气。所以可以认为研究区分布的浅层气属于第一类自生自储类型。该类浅层气多为第四系浅层生物气，埋藏深度一般不超过50m，是由有机质经过生物化学作用分解而成的可燃气体，绝大多数为甲烷型，成分以甲烷为主；其次为氮气型，少数为甲烷—氮气型。该种浅层气与天然气藏往往没有直接的联系。

3 调查方法

浅地层剖面测量是一种基于声学原理的连续走航式探测水下浅部地层结构和构造的地球物理方法。利用声波在海水和海底沉积物中的传播和反向散射特性，对海底沉积物结构进行连续性探测，根据回波时间先后并用波形振幅、灰度等级或色彩来表征回波的强度，绘出剖面，由此获得直观的海底浅部地层结构。

利用电火花震源，将储存在电容器中的电能通过大功率开关在水中进行高压脉冲电晕放电，电能直接转化成声能产生声辐射。这种震源系统具有声信号稳定，相关性好，电声转化率高，分辨率高等特点，在高精度海洋地质调查中具有重要作用。本次调查的震源采用2000J的击发能量，理论上能探测水下六七十米范围的地层情况。水听器采用20单元的组合水听器拖缆，缆长2m，组合水听器能有效提高采集信号的信噪比。

观测系统采用船拖曳式，电火花震源与水听器分别置于船尾两侧，相距7.5m，两设备各后放20m。沿图2所示的测线依次逐线采集，船速保持在匀速5节左右，采用等时激发，激发间隔为6s，采样频率为8kHz，采样长度400ms。

图2 浅层地震剖面测量线路Fig.2 The meterage lines of shallow stratigraphic section measurement

4 浅层气地震特征

利用专业地震解释软件对采集的数据进行解释，发现了大量浅层气存在的证据。判别依据是：地震信号横向突变、纵向快速衰减，造成浅部地层反射较弱，下部地层屏蔽或反射减弱甚至造成空白反射等。其主要特征如下：

4.1 顶界面特征

不规则强反射顶界面：由于海底地层含气，将造成含气地层密度降低，地震波纵横波速度减小，波阻抗相应降低，与上覆地层存在较大波阻抗差[9～11]。根据地震波传播原理，含气地层顶界面地震波反射将加强。由于浅层气属于游离态，浮力作用决定了气体只能上逸或侧向平移，气体在地层中的渗透极易造成载气区的不规则形态，因此形成了含气地层的不规则强反射顶界面，如图3所示。而当气体上溢至海底后，常常造成海底气包或麻坑状形态。

图3 14-1线不规则强反射顶界面Fig.3 The irregular strong ref l ection top interface of No.14-1 line

顶界面相位倒转：地层含气造成了纵横波速度降低，在气层顶界面形成一个波阻抗上大下小的界面，此界面致使反射系数为负，若气体的不规则渗透不是特别明显，将会形成一连续的负相位的反射波形。因此浅层气顶界面相对于周围地层为一负相位波形，且振幅值越大，波形越连续，含气量越多，气层越封闭。

4.2 侧面特征

侧面竖交：资料研究中发现多处地方出现连续地层的横向突变，这是由于气体上溢特性，大多数浅层气区域在一个近似垂直的方向上形成陡立界面，视觉上表现为地震信号突然变弱或消失，即浅层气区域侧面竖交于旁边地层，如图4所示。

两侧相位下拉：含浅层气较多的地层由于地震波速迅速减小，造成含气地层中的地震信号接收时间相对滞后,对于同一层位会形成含气地层的相对于两侧地层的相位下拉假象，如图5所示。

图4 18-2线剖面特征Fig.4 The section features of No.18-2 line

图5 18-1线剖面特征Fig.5 The section features of No.18-1 line

4.3 整体形态特征

柱状扰动：横向范围较小的浅层气聚集或上溢通常呈柱状形态，其顶界面一般为凸起、尖顶形。一部分浅层气引起的扰动记录在地震剖面上表现为垂向延伸并竖向穿过几乎所有的下伏地层，部分内部有可连续追踪的地层相位，干扰区呈竖向条带状分布。另一部分的浅层气扰动发育在特定地层内，纵向延展较小，内部无明显层理，通常不会产生垂向反射区切穿下伏地层，表现为囊状形态，如图5所示。

幕状屏蔽：横向上延展宽度有限的浅层气区域会产生水平方向的强反射，并完全屏蔽下伏地层反射信号，从而形成幕状形态，见图6。其顶界面一般不规则，相对于两侧连续的同相轴有明显的扰动，其两侧出现明显的垂向边界，竖向穿过并屏蔽下伏连续地层。

图6 14-2线幕状屏蔽Fig.6 The curtain-like shield of No.14-2 line

空白屏蔽：横向上延展较大的浅层气区域，会产生的连续或者断续的较强反射界面往往完全屏蔽下伏地层地震信号，从而形成大片的屏蔽区域，如图7所示。在含气区表层，顶界面下的扰动程度随浅层气埋深加大而逐渐增加，常常呈不规则的起伏。这么大面积的屏蔽一般不是局部构造引起的，多为大型盆地沉积或大面积三角洲沉积造成。

图7 L02-1空白屏蔽Fig.7 The blank shield of No. L02-1 line

5 调查区海底天然气分布规律

综合以上分析，区内浅层气顶界面大部分在时间剖面上的20～30ms区间，即埋深大约在15～25m范围。结合地质解释，此段大部分为中全新统地层，地层中多为粉砂质粘土，利于浅层气发育及存储。

利用上述浅层气地震特征，对区内各线资料进行浅层气解释，分别将其位置投影在平面上；综合所有测线解释结果，圈出区内浅层气发育分布范围（图8）。

图8 杭州湾北部浅层气分布Fig.8 The shallow gas distribution in the northern area of Hangzhou bay

值得说明的是，分布范围的勾划是对于较大的幕状屏蔽或空白屏蔽范围和发育较聚集的小型柱状扰动所进行的圈画。在空白区域的个别地方，也存在较小的和较孤立的柱状扰动，但因其平面范围较小，未进行圈画。

由图8可以看出，区内浅层气分布较为广泛。由顶界面初步判断，含气区气体压力较小，但具体的详细情况还有待钻孔等手段进一步验证。

6 结论

（1）区内浅层气分布在河口沉积作用强烈的地区，多为自生自储类型的第四系浅层生物气，是由有机质经过生物化学作用分解而成的可燃气体，多为甲烷型。

（2）浅层气地层因含气，造成含气地层纵横波速度降低，波阻抗减小，在地震剖面上表现为不规则状强反射顶界面，部分连续的顶界面发生相位翻转，两侧相位下拉。含气地层整体形态呈空白屏蔽、幕状屏蔽、柱状扰动等特点，两侧往往竖交于旁边地层，部分溢出海底，部分闭藏于地层内部。

（3）区内浅层气顶界面大部分表现为不规则形状，且埋藏较浅，一般约在15～25m之间，大多发育在中全新统砂层，初步判断浅层气压力不大，但分布范围较广。

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